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可见光通信（VLC）中LED灯具的理论与实验分析
作者与机构
本研究由Marcelo de Oliveira、Fernando César Baraviera Tosta、David Esteban Farfán Guillen（均来自巴西联邦技术大学-巴拉那分校，CPGEI/UTFPR）、Paulo P. Monteiro（葡萄牙阿威罗大学电信研究所）和Alexandre de Almeida Prado Pohl（UTFPR）合作完成，发表于期刊 Wireless Personal Communications 2022年5月刊（第125卷，3461–3477页）。
学术背景
可见光通信（Visible Light Communication, VLC）是一种新兴技术，利用发光二极管（LED）和光电二极管通过可见光谱实现高速数据传输。其优势包括：
1. 频谱资源丰富：可见光谱（400–790 THz）未被监管，容量可达千兆比特/秒；
2. 安全性高：光波无法穿透墙壁等不透明结构；
3. 低成本：可直接利用现有照明基础设施；
4. 环保：LED功耗低、寿命长。
然而，VLC面临上行链路功耗高、阴影效应、标准化不足等挑战。本研究旨在分析商用LED灯具在VLC中同时实现通信与照明的性能，通过理论建模、光线追踪仿真和实验验证，为VLC系统设计提供多角度评估方法。
研究流程与方法
灯具建模与仿真
- 研究对象：采用SP-02-T1 Sinkpad-II模块（含7颗LXML-PW31白光LED）和聚光器PL121140。
- 仿真工具：通过SolidWorks建模，使用APEX插件进行光线追踪仿真，模拟LED辐射特性及聚光器效果（图1）。
- 参数校准：根据LED数据手册（典型光通量105 lm），调整仿真中单颗LED的辐射通量为371 mW，确保与实验条件一致。
光学无线信道建模
- 理论模型：基于朗伯光源假设，计算信道直流增益（公式3），其中半功率角（(\phi_{1⁄2})=20°）和探测器视场角（FOV）为关键参数。
- 噪声模型：综合散粒噪声、热噪声和码间干扰（ISI）噪声（公式5–8），用于后续信噪比（SNR）和误码率（BER）分析。
实验验证
- 照明性能：
- 使用CRIFFER X-08 Luxmeter测量1×1 m²平面照度分布（图9），对比不同功耗（1.9 W至7 W）下的实验结果与仿真（图5）。
- 在5×5 m房间模拟多灯具布局（图6），评估是否符合EN 12464标准（公共区域需20–500 lx）。
- 通信性能：
- 实验装置（图12）：LED模块通过偏置-T驱动，调制信号由任意波形发生器生成，接收端采用Hamamatsu C12702-12光电探测器模块。
- BER测试：以OOK-NRZ调制（2 MHz速率）在1.4–2.2 m距离内测量BER（图13），对比理论曲线。
主要结果
照明性能
- 单灯具在1.7 m距离、5.5 W功耗下中心照度达689 lx，边缘106 lx（图9），适用于低密度环境照明。
- 多灯具（9盏）布局下，无聚光器时照度均匀（170–300 lx），而聚光器导致中心区域照度提升至830 lx，但边缘降至45 lx（图7）。
通信性能
- 接收功率与距离平方成反比（图11），7 W功耗下1 m距离接收功率达2.5 μW。
- BER实验值与理论值趋势一致（图13），1.4 m距离时BER接近10⁻⁶，满足多数应用需求。
结论与价值
科学价值
- 验证了商用LED灯具在VLC中兼具通信与照明能力的可行性。
- 提出理论模型、仿真与实验结合的评估框架，为VLC系统设计提供可靠工具。
应用价值
- 支持Li-Fi（光保真）标准推广，助力5G/6G及物联网（IoT）的高容量互补通信。
- 为照明与通信产业协同开发标准化设备提供依据。
研究亮点
- 多方法验证：首次将光线追踪仿真（APEX）、理论建模与实验测量结合，结果高度一致（图11, 13）。
- 实用导向：聚焦商用灯具性能，直接关联实际部署需求（如EN 12464照明标准）。
- 创新噪声模型：综合ISI噪声（公式6）提升BER预测精度，弥补传统模型的不足。
其他发现
- “关灯VLC”潜力：通过调制技术避免闪烁，可在感知上保持照明关闭状态（引用文献16）。
- 局限性：通信距离较短（<2.2 m），未来可通过透镜或高阶调制优化。
本研究为VLC从实验室走向商业化提供了重要技术支撑，尤其适用于室内定位、水下通信等特定场景。